基于传热学分析的金属零件缺陷电磁激励红外热成像检测方法

摘要

本文提出一种基于电磁激励的红外热成像检测方法对金属零件进行无损探伤,该技术融合了红外热成像检测技术与涡流检测技术的优点,有着高灵敏度、高效率、无污染、无破坏、非接触式加热以及操作简单等特性。本文通过理论研究、数值模拟与实验相结合的方法展开论述。
　　分析了金属零件缺陷检测的研究现状及常规无损检测方法的优缺点,综述了国内外电磁激励红外无损检测技术的研究现状。
　　详细阐述了红外检测的基础理论,在此基础上对红外无损检测原理及方式做了论述和总结,着重指出了电磁激励的红外无损检测技术在金属零件缺陷检测中的突出优点。介绍了电磁场的基本理论知识,并以微元体内部热平衡条件入手,推导且建立金属材料的三维瞬态热传导微分方程。对电磁激励感应加热机理进行了研究,给出了集肤效应与透入深度的关系,分析了感应加热过程中涡流式传热与热传导式传热之间的联系,总结了加热中存在的能量损失。
　　以ANSYS为平台建立了电磁-热耦合场的有限元计算模型,模拟感应加热的过程。通过数值模拟得到金属板表面及底端的温度分布状况以及加热温度随时间的变化规律。模拟并分析了激励时间、电流频率及感应线圈加热距离对金属板温度控制的影响,同时总结了这些影响因素对加热效果的作用规律。这部分研究为实验中电磁激励源的优化设计提供理论支持。
　　在做出科学合理的假设,简化研究模型,确定边界条件、初始条件及热源函数的基础上,建立金属零件典型缺陷的有限元模型。对缺陷大小、深度、位置分析的影响进行仿真模拟研究,分析金属零件缺陷红外无损检测的热传导过程及温度场分布情况,根据时间序列图像中缺陷面积大小变化的规律,确定缺陷面积大小检测的最佳时间段。
　　最后通过一组简单的实验证明了电磁激励的红外热成像检测方法是可行的。

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主要符号说明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 金属零件缺陷检测研究现状

1.3 国内外电磁激励红外无损检测技术的研究现状

1.4 本文研究内容及重点

1.5 论文组织结构

1.6 本章小结

第二章 电磁激励红外无损检测技术基本理论

2.1 基本辐射知识

2.2 红外无损检测原理

2.3 电磁激励感应加热机理研究

2.4 本章小结

第三章 电磁-热耦合有限元分析

3.1 电磁场的基本理论

3.2 建立热传导模型并求解

3.3 电磁-热耦合有限元分析

3.4 模拟结果及分析

3.5 本章小结

第四章 含缺陷金属零件的有限元温度场分析

4.1 有限元热分析

4.2 基于ANSYS的缺陷金属板红外检测的仿真分析

4.3 有限元仿真模拟结果及分析

4.4 本章小结

第五章 含缺陷金属零件的实验检测

5.1 实验平台搭建

5.2 金属板表面缺陷检测

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 存在问题及展望

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢